frp -混凝土界面在湿热环境下粘结性能试验研究

摘要

随着纤维增强聚合物（FRP）复合材料的技术强化钢筋混凝土结构广泛应用于土木工程领域，近年来加强结构的耐久性引起了更多关注。湿热环境对FRP和混凝土之间界面的债券行为产生不利影响。本文重点介绍碳纤维层压板（CFL-）混凝土界面在湿热条件下的债券耐久性，这模拟了华南地区气候特征。基于不同的温度和湿度将二十100毫米×100mm×720mm标本分成6组。在湿热环境中进行预处理后，使用双剪切法测试样品。沿CFL表面和线性变化位移换能器（LVDT）粘合的应变仪用于测量纵向菌株和界面的滑动。分析了故障模式，最终容量，负载偏转关系和相对滑移。研究了湿热环境下FRP混凝土界面的债券行为。结果表明，接触湿热环境后界面的最终承载力减少。在高温和湿度下暴露（60℃，95％RH）暴露后，降低范围高达27.9％。 The maximum strains (）试样预处理明显下降，这明显下降，这表明在暴露于湿热环境后粘合行为的衰减。

1.介绍

纤维增强聚合物(EB-FRP)复合材料外粘接是加固混凝土结构的一种流行技术[1-3.］．在这种方法中，粘接接缝起着至关重要的作用，它提供了从混凝土到FRP的有效应力传递，以确保加固结构的完整性和耐久性[4.-6.］．近年来，frp -混凝土粘结界面的耐久性受到越来越多的关注，许多试验项目已经开展，以检验frp -混凝土界面暴露在侵蚀条件下的行为[7.-11］．温度和湿度这两个主要条件，对各种机械和耐久性问题有显著的影响。暴露在高温和高湿环境下可导致胶粘剂粘结剂降解[12-21导致整个强化了的系统的效率迅速下降。

万等。[12研究了水分对FRP/混凝土粘结耐久性的影响。在水中浸泡8周后，粘结界面的能量释放率降低了85%。本扎尔蒂等[13]设计了4种不同的复合体系，研究了恒定水热老化条件(40℃、95%相对湿度)下cfrp -混凝土粘结耐久性。研究包括拉拔试验和单剪试验两部分。暴露时间分别为20个月和13个月。结果表明:与未加固的混凝土板相比，水热老化导致CFS和CFRP加固试件粘结界面的承载力显著降低;破坏模式由基体破坏转变为化合物或界面破坏。化学成分报告解释了水热老化过程中，水分从混凝土表层向粘结接头扩散可能是导致混凝土退化的关键原因。对于这两种方法，剪切试验比拉拔试验更敏感，应采用剪切试验来评价胶粘剂的粘结强度。Gamage等[14通过实验和数值分析研究了CFRP电镀混凝土构件的粘结特性。进行了由非化的CFRP强化混凝土块制成的11个单剪标本以验证温度分布。测试了两种绝缘单剪标本，以确定绝缘对与CFRP结合的混凝土的传热行为的影响。另一方面，使用有限元分析程序来分析传热。实验和有限元结果表明，建筑业中使用的环氧粘合剂对温度变化非常敏感。环氧工作温度不应超过70°C以保持CFRP和混凝土之间的完整性。Silva和Biscaia [15]通过弯曲试验研究了考虑盐雾循环、温度、湿度和盐水浸泡的frp -混凝土粘结性能退化。混凝土试件采用GFRP或CFRP加固。结果表明，在不同的老化环境条件下，失效表面存在差异。温度循环(−10°C;10°C)和水分循环在混凝土基体中发生破坏，而盐雾循环在界面混凝土粘结剂处发生破坏。温度循环导致梁的容量损失。GFRP和CFRP粘结梁的最大承载力损失分别为31%和20%。浸泡在盐水和盐雾中导致GFRP条与混凝土之间的粘结严重退化。在Lai等人的文献中[16]，采用破坏(拉拔)和无损(脉冲IRT)试验相结合的方法，研究了45℃、不同湿度(RH 45%、90%和水浴)条件下cfrp加固混凝土梁试件的全现场脱粘过程。暴露时间分别为3、5、7、9个月。4个未暴露的对照试样(室温约23℃，65% RH)和48个暴露试样采用改进的拉拔试验进行测试。在潮湿条件下(RH > 90%)数月后，CFRP条与混凝土之间的粘结作用明显减弱。布莱克本等人[17研究了湿热环境条件对FRP复合材料中环氧树脂固化动力学的影响。结果显示，所有透明环氧树脂均有明显的下降，从大约9到25°C，从其理论值范围从其理论值导致导致导致粘合界面劣化的湿热条件。Shrestha等人。[18[持续24个月，研究了FRP - 混凝土键及其组成特性的耐久性。结果表明，粘结强度降低至32％，故障模式从混凝土内聚力变为底漆 - 混凝土混合失效，用于正常强度混凝土，在高强度混凝土情况下从混合粘合失效完全粘合失效。作者解释说，失败模式的变化主要是由于界面处的水分子引起的粘合键的破坏。Mikami等。[19]考察了高温(100℃和180℃)对粘结强度恶化和破坏模式变化的影响。高温低湿组合(180℃、0%湿度)对粘结强度的影响最大，粘结强度降低至0.5 MPa，室内环境下为6.0 MPa。卡比尔等[20.]通过单剪试验分别研究了cfrp -混凝土在温度循环、干湿循环和室外环境下的随时间变化特性。由于环氧树脂性能退化，cfrp -混凝土粘结层的拉拔强度较未暴露试样的拉拔强度最大降低15.2%。除受温度循环作用的试件外，其破坏模式由厚混凝土向薄壁混凝土转变。有效粘结长度随暴露条件的增加而增加。

一般来说，湿度和水暴露会导致frp -混凝土界面粘结应力的显著降低。然而，以上研究主要集中在frp加固混凝土试件的粘结强度和整体耐久性方面。这些试验提供了最终状态下的强度数据，但有限的数据可用来解释加载历史和实际破坏前的破坏机制。此外，加载过程中湿热环境对粘结剂的影响也鲜有报道。此外，关于该系统在热带气候中的耐久性的研究非常有限。关于侵蚀环境对粘结耐久性影响的信息仍然缺乏，这与加固结构的使用寿命有关。因此，frp -混凝土界面的长期性能还需要进一步的研究和更多的数据。

本文报道了frp加固混凝土试件受加速湿热(温度与水分耦合)侵蚀的研究。采用双剪切试验对试件的粘结性能进行了测试。本研究的目的有两方面:(i)实验研究高温和湿度对EB-FRP试件的影响，主要是对复合材料和混凝土之间的粘结作用，(ii)解释加载过程中湿热环境对粘结界面行为的影响。

2.实验计划

2.1。标本

采用双剪切法对20个试件进行了试验研究。每个试件由两个混凝土棱镜组成，尺寸为100mm × 100mm × 250mm，如图所示1．一种 mm ribbed steel bar was inserted at the center location of every prism before cast, by which the tensile force was applied with an electronic machine. To avoid loading eccentrically, a set of steel mold was designed as shown in Figure2（a）．一对混凝土块被浇铸在模子里并做了标记。钢条穿过的三个孔是中间对齐的。两根钢条在模具中间分开。所有混凝土砌块均在实验室条件下浇筑，并在标准条件下在水浴中养护28天[21］．然后将它们从水浴中取出并在实验室中干燥一周。

用玻璃钢将一对混凝土砌块粘结在一起制成试件。两个混凝土棱镜只通过两个碳纤维层板(CFL [22)，通过湿铺工艺从外部粘接到混凝土棱柱的相对两侧。在两个混凝土块之间有20mm的空间(图1)．为保证对中，专用夹具如图所示2（b）用于粘接FRP。粘接过程主要包括三个步骤。首先，用石轮打磨混凝土表面，以去除砂浆的薄弱层，直到看到骨料。然后用喷气机对表面的灰尘进行适当的清洗。最后，碳纤维层合板(CFL [22])，宽度为50 mm，厚度为0.23 mm，采用环氧树脂湿法粘接在混凝土砌块的相对两面。

2．2.材料特性

在本研究中，混凝土中主要成分的配合比按重量计算为水泥(1.0):水(0.5):砂(2.06):碎石(3.66)。采用中国标准硅酸盐水泥(P.O42.5R);试验采用细度模数为2.74的河砂和直径为5-20 mm的花岗岩骨料。根据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》标准，混凝土28天立方(150 mm × 150 mm × 150 mm)抗压强度平均值为35.4 MPa [23])。

碳纤维层压板(CFL) [22])为本课室发明的一种FRP材料，采用T700-12k碳纤维制作了过饱和层合板。生产厂家报告的碳纤维的拉伸强度、拉伸模量和伸长率分别为5040 MPa、232 GPa和2.1%。CFL的拉伸强度、拉伸模量和泊松比分别为4030 MPa、220 GPa和0.25。用于CFL与混凝土表面粘结的胶粘剂为双组分环氧胶粘剂。该环氧树脂的杨氏模量为2.5 GPa，抗拉强度为40 MPa，极限应变为5.0%，玻璃化转变温度为85℃。表中总结了材料的性能1．

2.3。湿热环境条件

在该测试中，将样本移动到预处理的环境室中，在环境室中可以预设温度和相对湿度（RH）条件。选择温度和湿度的特征值，根据南方沿海省份的许多桥梁的测量数据与一些相关代码相结合[24］．整个一年的月度温度和湿度的曲线如图所示3.．它表明温度为5℃至50℃，湿度为70％RH至95％RH。根据中文指南（GB / T1446-2005 [25]和GB/T2573-2008 [26]），湿热环境的加速条件是°C,%。本次测试的规定温度和RH条件分别为5℃、25℃、60℃和60% RH、75% RH、95% RH。

表中列出了不同类别群的温度和湿度条件2．将标本保持在环境室中，如图所示4.符合中国指南的14天（GB / T1446-2005 [25]和GB/T2573-2008 [26])。试样暴露于模拟环境后，从室内取出，在实验室平均温度25℃、RH 80%的空气环境下干燥后进行测试。

2.4。测试设置

采用双剪试验研究了frp -混凝土粘结界面的粘结性能。钢筋嵌入在每个混凝土块中，并与混凝土面对齐。而钢筋则从每块的外端延伸100毫米，以施加拉力负荷(，如图所示1)．两根钢筋没有连接，这意味着两块混凝土块的连接只能通过CFL板来保证。在安装模板时，特别注意使内部钢筋完全对准。在测试前，在试件对面的同一位置粘贴额外的应变片，以检查同轴状态。

所有试件均在电子万能试验机(CMT5105)上进行测试，测试能力为100kn，如图所示5.．加载采用位移模式控制，加载速率为0.005 mm/s。在紧凑型荧光灯外接应变片，测量紧凑型荧光灯内部的应变。如图所示，沿CFL粘合长度分布13个应变片，中心间距为20mm6(一)．在测试期间，数据采集系统（TMR-211）在10 Hz中自动记录菌株，如图所示6 (b)．相对滑（)，由固定在试件中间附近混凝土块表面的线性位移传感器测量，如图所示7.．

2．5．测试程序

根据不同的温湿度条件，将20个样品分为A-1、B-1~3、C-1~3 6组。A-1组作为对照标本，在实验室条件下保存，无需预处理。B组、C组在不同温度、湿度条件下，在环境舱内预处理14 d。B组测试相同湿度下温度的影响95% RH。采用三种不同的测试温度:分别对应于B-1、B-2、B-3的25℃、50℃、60℃。C组在相同温度60°C下测试湿度的影响。采用三种不同的试验湿度条件:60% RH, 75% RH, 95% RH分别对应C-1, C-2, C-3。B-3的条件与C-3相同，所以只检测了一组样本。标本的详细信息见表2．

3.结果与讨论

3．1.失效模式

在所有标本中只观察到一个典型的剥离失败模式。如图所示8.，附接到替补CFL表面的薄混凝土层表明，剥离泡沫发生故障发生在基板混凝土中。这种故障模式也在其他资源中广泛报告[17那18那20.］．

3.2。湿热环境对最终负荷（的）

表格3.对各组试件的极限荷载进行了统计。通过对比老化试件与参考试件的极限荷载，得出湿热环境对极限荷载的影响，如图所示9.．在图中9(一个)，对比不同温度、相同湿度下未老化的A-1参考试件和B组参考试件的结果，分析温度对极限荷载的影响。在图中9 (b)，比较不同湿度下标本的结果。

除C-2-1外，在湿热环境下试样的极限载荷明显降低。一般来说，温度和湿度越高，极限荷载的降低幅度越大。

表中还列出了湿热环境对极限荷载的影响程度3.．

与参考标本组A-1相比，分别对应于5℃，25℃和60°C的B组，含量为16.0％，23.9％和27.9％，具有相同的高湿度（95％）。对于C组，分别降低15.2％，18.4％和27.9％，分别对应于60％RH，75％和90％相对湿度，具有相同的高温（60℃）。特别是，在60°C和95% RH时，最大降幅为27.9%。

3．3．载荷挠度曲线

数字10显示了所有试件的总荷载与挠度曲线。各组试件的曲线基本一致。C-1-2的载荷偏转数据在试验中丢失。

荷载-位移曲线的斜率反映了粘结界面的总刚度。在初始加载阶段，粘结刚度变陡，粘结刚度较好;曲线的波动表明，在突然破坏之前，粘结面发生了局部脱粘。

对比图中为相同湿度(95%)下不同温度(5℃、25℃、60℃)下参考试件(未老化)和B组试件的荷载-挠度曲线(11日)分析温度效应。参考样品(未老化)与C组样品在相同温度(60℃)下不同湿度(60%、75%、95%)的对比如图所示11（b）．

结果如图所示11明显的恶化是由于暴露在湿热环境下造成的。与参考试样相比，老化试样的曲线斜率越小，粘结剂的退化越明显，且随着温度和湿度的增加，粘结剂的退化越明显。

4.湿热环境对债券行为的影响

本节报告的结果表明，粘结性能受使用温度和湿度的显著影响。因此，必须从设计的角度适当地考虑湿热环境的影响。

4．1.两块混凝土块之间的相对滑移

相对的滑倒（）通过固定在混凝土块上的线性位移传感器获得的两个混凝土块之间的不同载荷水平处，其间接地反射了总键刚度的混凝土块。在该测试中，由于难以有效地固定位移传感器，例如A-1-1和A-1-3和C-1和C-2的一些样本的滑移测量失败。数字12给出了不同温度下试件的相对位移-荷载曲线。典型的实验相对滑载响应具有初始线性生长阶段、快速生长阶段和不稳定生长阶段3个阶段的特征。与A组参考试件相比，B组试件的相对滑移-荷载曲线斜率较大，表明粘结性能退化较快。B组在相同的高湿度(95% RH)下不同温度时效，时效温度越高，时效速率增长越快。但所有试样的最终相对滑移对温度和湿度不敏感，均在0.7 mm和0.8 mm范围内。

4．2．CFL中的应变分布

如图所示，这些应变由安装在CFL上表面的应变片读出6.．每个样本的各种载荷水平的CFL中的纵向菌株如图所示13，其中水平轴到CFL自由端距离是否如图所示6.，纵轴为CFL的实测应变。

一般来说，外部荷载通过混凝土块传递到紧凑型荧光屏上，间距范围为每边100毫米到150毫米。CFL的应变在间隙处最大，在远离间隙处减小。应变也随着外载荷的增加而增加。需要注意的是，由于加载和/或几何形状的缺陷，CFL的宽度上的应变分布不均匀。

与参考标本（A-1组）相比，最大菌株（B组和C组的粘结强度明显降低，表明暴露于湿热环境后粘结性能下降。最大菌种为5500~6000株με, 3500 ~ 4500με，3500〜5000 με分别为A-1、B-2~3和C-2组。这意味着侵略性的环境导致了沿界面过早的脱粘失效。

5.结论

本研究通过实验研究了cfl -混凝土粘结层在静荷载作用下的粘结滑移特性。对CFL的破坏模式、荷载-挠度、相对滑移和应变分布进行了详细的测量和分析。

根据实验数据可以得出以下结论:（1）湿热环境对cfl -混凝土界面的粘结性能有不利影响。与参考试件相比，试件在60℃、95% RH的热湿环境中，极限荷载下降27.9%。（2）湿热环境暴露导致粘结刚度明显恶化，在荷载-挠度曲线和相对滑移曲线上均有表现。随着温度和湿度的增加，老化试样曲线的斜率减小。（3）与参考标本相比，最大菌株（)，由5500~6000下降με到3500〜5000 με．此外，有效键长度从约100mm增加到接近150mm，指示键的行为降解。

相互竞争的利益

作者宣布没有关于本文的出版物的利益冲突。

致谢

国家自然科学基金项目(no. 11132004, no. 11627802, no. 51678249, no. 51508202);基金资助:国家自然科学基金资助项目(201606155018);2016A030310414)，重庆交通大学山地桥梁隧道建设重点实验室开放项目(no. 2016A030310414);CQSLBF-Y16-9)。

参考文献

1. V. M. Karbhari, F. Seible, R. Burgueño, A. Davol, M. Wernli，和L. Zhao，“纤维增强复合材料短、中跨桥梁系统的结构表征”，应用复合材料，第7卷，第5期2，页151-182,2000。视图:出版商网站|谷歌学术
2. J. G. Teng，J. F. Chen，S. T. Smith和L. Lam，FRP加强的RC结构， John Wiley and Sons，奇切斯特，英国，2002年。
3. D. J. Oehlers和R. Seracino，玻璃钢和钢板混凝土结构的设计:加固梁和板的强度，刚度和延性，elsevier，伦敦，英国，2004年。
4. 滕建国和陈建峰，“frp加固钢筋混凝土梁的脱粘力学”，土木工程师学会学报:结构和建筑物，第162卷，第162号5，页335-345,2009。视图:出版商网站|谷歌学术
5. Y.-F。吴昌江，“frp -混凝土外接接头粘结滑移关系的量化研究”，建筑复合材料学报，卷。17，不。5，pp。673-686,2013。视图:出版商网站|谷歌学术
6. Y.-F。吴，X.-S.徐，J.-B.太阳和C.江，“外部粘合强化债券强度的分析解决方案”复合结构，第94卷，第94期11, pp. 3232-3239, 2012。视图:出版商网站|谷歌学术
7. P. Mukhopadhyaya, R. N. Swamy，和C. J. Lynsdale，“侵略性暴露条件对粘接混凝土- gfrp接头性能的影响”，建筑和建筑材料，卷。12，不。8，pp。427-446，1998。视图:出版商网站|谷歌学术
8. R. Sen，“frp -混凝土粘结耐久性的发展”，建筑和建筑材料，第78卷，112-125页，2015。视图:出版商网站|谷歌学术
9. H. C. Biscaia，M.A.G.Silva和C.Chastre“”提交给湿度周期的GFRP - 混凝土界面的实验研究“复合结构，卷。110，pp。354-368,2014。视图:出版商网站|谷歌学术
10. J. F. Davalos, S. S. Kodkani, I. Ray，和Chunfu Lin，“冻融和干湿循环中gfrp -混凝土界面的断裂评价”，复合材料杂志，第42卷，第2期14，第1439-1466页，2008。视图:出版商网站|谷歌学术
11. J. Lyons, D. Laub, V. Giurgiutiu, M. Petrou，和H. Salem，“湿热老化对混凝土复合材料覆盖层断裂的影响”，增强塑料与复合材料学报第21卷第2期4、2002。视图:出版商网站|谷歌学术
12. B. L. Wan, M. F. Petrou, K. A. Harries，“水的存在对CFRP和混凝土之间粘结耐久性的影响”，增强塑料与复合材料学报，第25卷，第2期8，第875-890页，2006。视图:出版商网站|谷歌学术
13. K.BENZARTI，S. Chataigner，M.Quiertant，C. Marty和C. Aubagnac，“混凝土样品和CFRP覆盖之间的粘合剂粘合的加速老化行为”建筑和建筑材料，第25卷，第2期2, pp. 523-538, 2011。视图:出版商网站|谷歌学术
14. J.C.P. H.游戏，R.Al-Mahaidi和M. B. Wong，“CFRP电镀混凝土构件的粘合特性”在升高的温度下，“复合结构，卷。75，没有。1-4，pp。199-205，2006年。视图:出版商网站|谷歌学术
15. M.A.G.Silva和H. Biscaia，“FRP和RC梁之间的债券脱落”，复合结构，卷。85，否。2，pp。164-174,2008。视图:出版商网站|谷歌学术
16. 李国强，“利用全场红外热像仪及准静态剪切试验研究frp -混凝土梁的耐久性，”建筑和建筑材料，卷。40，pp。481-491,2013。视图:出版商网站|谷歌学术
17. B. P. Blackburn, J. Tatar, E. P. Douglas，和H. R. Hamilton，“湿热调节对玻璃钢复合材料中使用的环氧粘合剂的影响，”，建筑和建筑材料，第96卷，679-689页，2015。视图:出版商网站|谷歌学术
18. J. Shrestha，T. Ueda和D.张，“FRP混凝土债券的耐久性及其在水分条件影响下的组成性质”土木工程材料杂志第27卷第2期2、文章编号A4014009, 2015。视图:出版商网站|谷歌学术
19. c·劳斯H.-C。吴，和A. Elarbi，“高温对FRP粘结混凝土抗拉强度的影响”，建筑和建筑材料， 2015年，第91卷，第180-186页。视图:出版商网站|谷歌学术
20. M. I. Kabir，R. Shrestha和B. Samali，“应用环境条件对CFRP - 混凝土键的拉出优势”的影响，“建筑和建筑材料，卷。114，PP。817-830,2016。视图:出版商网站|谷歌学术
21. “普通混凝土机械性能试验方法标准”，“GB / T.50081-2002，建设P. R.中国，2002年。视图:谷歌学术
22. 黄培英、曾建昌，“碳纤维复合材料及其应用，”ZL200410026742.8, 2006。视图:谷歌学术
23. 《普通混凝土力学性能试验方法标准》，中国建设部GB/T 50081-2002, 2002。视图:谷歌学术
24. 黄平阳，“高温潮湿环境下FRP加固钢筋混凝土构件耐久性试验方法研究”，实验力学学报第26卷第2期5, pp. 603 - 610,2011。视图:谷歌学术
25. GB/T1446-2005，《纤维增强塑料复合材料性能测定方法》，中华人民共和国交通部，2005。视图:谷歌学术
26. GB / t2573 - 2008,玻璃纤维增​​强塑料老化性能试验方法中华人民共和国交通部，2008年。

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